РОЗДІЛ 2. ЛАЗЕРНЕ ОПРОМІНЕННЯ ПВМ ТА МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ ЙОГО ВЛАСТИВОСТЕЙ
2.1. Методика опромінення ПВМ імпульсним YAG:Nd-лазером
Застосування імпульсних лазерів для опромінення активованого вуглецю, який
використовується як електродний матеріал в електрохімічних конденсаторах,
спрямоване на таку модифікацію його властивостей, яка приведе до оптимізації
параметрів відповідних конденсаторних систем.
Опромінення ПВМ здійснювали імпульсами YAG:Nd лазера за схемою, зображеною на
рис 2.1.
Рис. 2.1. Схема експериментальної установки: 1 – YAG:Nd-лазер, 2 – прозора для
лазерного променя кювета, 3 – зразок, 4,5 – фотопомножувачі, 6 – фотоприймач, 7
– ультразвуковий генератор, 8 – вимірювач енергії, 9 – цифровий осцилограф, 10
– персональний комп’ютер, 11 – імпульсний вольтметр, 12 – підвідні стержні.
Зразок 3 поміщався в кварцову кювету 2, яка за допомогою підвідних стержнів 12
була приєднана до звукового генератора 7. Завдяки звуковому генератору порошок
ПВМ в кюветі перемішувався, що забезпечувало рівномірне опромінення всіх
частинок. Контроль енергії в імпульсі лазера здійснювався за допомогою
вимірювача енергії 8. Опромінення проводилось імпульсами тривалістю ф = 10 нс,
частота слідування імпульсів 26-52 Гц, енергія в імпульсі змінювалась від 0,02
до 0,15 Дж, тривалість опромінення 3,0-5,0 хв.
Використання YAG:Nd лазера для модифікації ПВМ обумовлено, тим що він дає
можливість здійснювати не тільки імпульсний, а й імпульсно-неперервний режим
генерації. Це дозволяє вибрати такий режим опромінення, при якому можна
уникнути перегріву зразка і разом з тим впливати на морфологію та стан поверхні
пор [70-72].
2.2 Методика дослідження структури ПВМ та зміни стану легованого в матрицю ПВМ
металу
Дослідження змін структури ПВМ та поведінки легованого в матрицю ПВМ металу при
його лазерному опроміненні проводилося низкою взаємодоповнюючих методів:
вторинно-іонна мас-спектрометрія, ЯМР спектроскопія, метод рентгенівського
малокутового розсіювання, мессбауерівська спектроскопія та ін. Особливості
застосування даних методів для дослідження ПВМ розглянемо нижче.
2.2.1. Мас-спектрометричне визначення елементного складу та профілів розподілу
елементів.
Вторинно-іонна мас-спектрометрія (ВІМС) є одним із найпотужніших аналітичних
методів. Важливою перевагою ВІМС є поєднання низького рівня виявлення домішок,
що досягає 1014 атом/см3 і поверхневої чутливості, яка пов’язана із малою
інформаційною глибиною порядку 2 атомних шарів. Завдяки цьому ВІМС у поєднанні
із пошаровим іонним травленням, є основним методом дослідження розподілу
легованих і домішкових атомів по товщині твердотільних структур [73-75].
Суть методу ВІМС полягає у вимірюванні характеристик вторинних іонів
відповідних атомів, що входять до складу матеріалу зразка, який бомбардується
пучком первинних іонів з енергією 1-20 кеВ.
Методика розшифровки мас-спектрів зразків із невідомим хімічним складом
здійснювалась на основі робіт [76, 77]. Її суть полягає у встановленні
відповідності лініям експериментального мас-спектру (в залежності від їх
положення та інтенсивності на енергетичній шкалі) конкретних елементів чи
кластерів іонів.
Значним фізичним обмеженням методу є радіаційні пошкодження, які вносяться в
приповерхневу область мішені первинним іонним пучком. Швидкі атомні частинки з
типовою кінетичною енергією удару порядку 3-10кеВ, крім розпилення мішені і
емісії вторинних іонів, викликають у зразку істотні іонні перемішування, що
приводить до видимого розмиття можливих різких перепадів атомних концентрацій,
які наявні у вихідній структурі.
1. Розсіювання іонів на атомах
2. Поверхневі дислокації
3. Внутрішні дислокації
4. Фізичне розпилення
5. Іонна імплантація
6. Хімічне розпилення
7. Перенесення заряду
8. Адсорбція іонів
9. Емісія електронів
10. Емісія поверхнево іонізованих іонів
Рис. 2.2. Види взаємодії іонів з твердим тілом [76].
При падінні іонного пучка можна виділити чотири основні процеси, представлені
на рис. 2.2. Ймовірність того, що певний елемент буде розпилений (розсіяний)
визначається поверхневою енергією зв’язку і ефектом тиску газу. Вимірюючи
кількість емітованих вторинних частинок, їх масу, розподіл по глибині, можна
вивчати склад, атомну і електронну структуру поверхні матеріалу.
Аналіз елементного складу ускладнений тим, що при розпиленні поверхні Ar+
масоперенос навіть основного елементу С здійснюється за допомогою сукупності
одноатомних і кластерних іонів даного елементу, а також його сполук з
адсорбованими і домішковими частинками. Найтиповіші в даному випадку є такі
адсорбовані молекули - H2, O2, H2O, CO, CH2, а також їх фрагменти OH, CH та ін.
Різна відносна чутливість, а також складність вибору еталонів значною мірою
ускладнює кількісний аналіз складу поверхні, що відповідає реальному складу
зразка.
Товщина аналізованого шару регламентувалася швидкостями іонного травлення, яка,
в більшості випадків, не перевищує 0,05 ? 0,1 нм/с для іонів аргону з енергією
травлення 3-5 кеВ. Така товщина є характерною для більшості методів, що
використовують розпилювання поверхні мішені за допомогою іонного бомбардування
[78].
В місці іонного бомбардування утворюється кратер, що заглиблюється в процесі
розпилення. Кратер має складну форму, обумовлену нахилом осі пучка до поверхні
і гаусівським розподілом густини іонного струму по його перерізу [79].
Вторинні іони збираються в аналізатор зі всієї поверхні кратера травлення, тому
по мірі просування в глибину необхідно враховувати вклад емісії з його бокових
стінок. Вторинну емісію негативних іонів можна описати за допомогою виразу:
, (2.1)
де N – концентрація досліджуваних атомів в матриці, ц – робота в
- Киев+380960830922